專利名稱：生物質(zhì)快速碳化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由生物質(zhì)生產(chǎn)炭。
背景技術(shù)：
術(shù)語“生物質(zhì)”包括各種各樣的木質(zhì)和草本植物材料如木料原木、平板料、木屑和樹皮；和農(nóng)業(yè)殘余料如玉米穗軸、玉米秸、麥秸、堅果殼和甘蔗渣。生物質(zhì)也可包括城市固體廢料、下水道污泥、糞便或其它排泄物的有機(jī)餾份，和畜牧業(yè)如骨頭和畜體的殘渣。在本發(fā)明上下文中術(shù)語“惰性”指的是在實施本發(fā)明的反應(yīng)容器內(nèi)在所達(dá)到的溫度和壓力下不與生物質(zhì)或其熱解副產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)的那些化合物、組合物或材料。
炭是固定碳含量在70重量％或以上的一種炭質(zhì)固體。炭通常是對闊葉木材用大窯爐或干餾甑在約500℃溫度下進(jìn)行熱解的方法制造的。當(dāng)在惰性環(huán)境中加熱(“碳化”)炭至一般800℃以上的溫度時，它會失去大部分其殘留的揮發(fā)物，變成一種接近純的碳(見表1)，其固定碳含量在90重量％或以上。這里所用術(shù)語“生物碳(biocarbon)”表示炭和碳化炭兩種。生物碳具有許多獨(dú)特性能。炭和碳化炭二者基本上都不含硫(見表1)或汞。相對于它們的礦物燃料同類物，這些生物碳含氮量極低，灰分也少。因此，許多碳化炭是比大多數(shù)石墨更純型的碳。不同于煉焦煤、瀝青、原油渣油及其它化石碳前體，在低加熱速率下熱解過程中生物碳不經(jīng)過液相。見參考文獻(xiàn)1和2。因此，生物碳本質(zhì)上是多孔的。它們也是無定形的，如在它們的X射線衍射譜圖中亂層(turbostratic)結(jié)構(gòu)極少所證明。然而，碳化炭的填充床導(dǎo)電性幾乎與石墨微粒填充床的一樣好。
表1代表性的炭和碳化炭的元素分析。
在密蘇里州(Missouri)窯爐中在7-12天一周期操作中制造的炭典型收率為約28重量％(按干基計)。這種炭固定碳含量約70重量％；因此這種方法提供固定碳收率約20重量％(≈0.28*0.7)。在發(fā)展中國家廣泛采用較低效的方法。見參考文獻(xiàn)3。這些方法是許多熱帶國家濫伐的主要原因之一。熱化學(xué)平衡計算表明，當(dāng)400℃的熱解反應(yīng)器操作達(dá)到平衡時，固定碳收率應(yīng)該達(dá)到約30重量％。見參考文獻(xiàn)4。
在在先的一般受讓專利中，已公開當(dāng)熱解在高壓下封閉反應(yīng)器中進(jìn)行時，獲得收率高，其中熾熱蒸氣保持靜態(tài)并與熱解熾熱固態(tài)產(chǎn)物相接觸。參見US 5,435,983和5,551,958。1小時操作周期可獲得固定碳含量70重量％或以上的炭，收率在42-62重量％。見參考文獻(xiàn)4和5。此外，各種農(nóng)業(yè)廢料(如kukui果殼、昆士蘭果殼和山核桃殼)和熱帶物種(如桉樹、銀合歡樹和竹)提供的碳收率比在美國和歐洲工業(yè)傳統(tǒng)所用的闊葉木材的更高。此外，來自燕麥皮和稻殼和向日葵殼的碳收率幾乎與來自闊葉木材的碳收率一樣高。根據(jù)按照US5,435,983的生物質(zhì)處理，表2顯示美國農(nóng)業(yè)殘余料的生物碳生產(chǎn)潛力的估計。每年由這種農(nóng)業(yè)殘料源可生產(chǎn)2億噸以上的固定碳。據(jù)估計，每年可用由林產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)出的木殘料可生產(chǎn)約2.5億噸固定碳。作為比較，美國1999年生產(chǎn)約9.9億噸煤。
表2美國來自農(nóng)業(yè)殘料的生物碳生產(chǎn)潛力生產(chǎn)力無灰生物質(zhì)固定碳生產(chǎn)力 能量潛力(106噸/年)，固定碳收率 (106噸/年) (1015焦耳/年)作物 產(chǎn)物 濕玉米(USA) 玉米穗軸 2500.2227 890秣桿 4100.2793 3100玉米(10州)a秣桿 1400.2731 1000小麥及裸麥 皮40 0.268.6280禾桿 1100.2927 890大豆 皮5.20.261.137葉柄和禾桿1200.2726 850棉 廢渣 19 0.325.7190燕麥及大麥 皮5.90.261.447禾桿 17 0.294.5150高粱 殘渣 14 0.278 3.3110稻 殼3.10.280.75 25禾桿 8.50.302.168堅果b皮及殼4.30.29-0.35 1.239亞麻 廢渣 1.40.300.414表注aWalsh，M.et al.Corn Stover to EthanolMacro-economic Impacts Resulting from IndustryEstablishment，The 9thBiannual Bioenergy Conference，Buffalo，NY，Oct.15-19，2000.該研究僅包括10個州，并且排除了被定為高度磨蝕的玉米產(chǎn)區(qū)。據(jù)認(rèn)為，會有55％的秸桿折回地里。b包括山核桃和花生殼，杏仁和胡桃皮及殼，和向日葵殼。固定碳收率隨果類型而變化。
因此，本發(fā)明目的在于提供一種快速、有效和經(jīng)濟(jì)地將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為炭和能量的方法。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的在于減少轉(zhuǎn)化生物質(zhì)為炭所需外供熱量。
本發(fā)明更進(jìn)一步目的在于利用反應(yīng)器的增壓熱氣體流出物，經(jīng)蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，產(chǎn)生動力。
根據(jù)參考附圖
及其后說明，本發(fā)明的這些及其它目的和優(yōu)點(diǎn)都將會是很明白的。
發(fā)明綜述本發(fā)明提供了一種低能耗的方法，用于熱解轉(zhuǎn)換生物質(zhì)為炭或碳化炭(總稱生物碳)及動力，該方法包括步驟(i)密封生物質(zhì)于一個容器中；(ii)用空氣增壓該容器；(iii)加熱該生物質(zhì)使其點(diǎn)燃并燃燒；(iv)在燃燒和熱解過程中由該容器釋放氣體，以保持反應(yīng)器內(nèi)壓力在預(yù)定值以下；(v)如若需要，對該容器輸送補(bǔ)充空氣，使整個生物質(zhì)材料床達(dá)到約400℃或更高的溫度，并同時通過釋放該容器中的氣體控制壓力在所需預(yù)定水平；(vi)進(jìn)一步由該容器釋放一部分氣體，以降低該容器壓力達(dá)到某一較低的預(yù)定值。如有必要，可以按需要在依次較低壓力水平下重復(fù)步驟(v)-(vi)的循環(huán)一次或多次，以轉(zhuǎn)化該生物質(zhì)為生物碳。轉(zhuǎn)化完全之后，釋放該容器殘留氣體。
附圖簡要說明附圖是用于實施本發(fā)明方法的優(yōu)選裝置的斷面上視圖。
優(yōu)選實施方案說明可使用生物質(zhì)材料而不經(jīng)預(yù)處理，但切割木料為易操作尺寸和形狀除外。因此，這種材料的含水量會有高有低。不需對進(jìn)料進(jìn)行專門烘箱干燥。在裝入濕生物質(zhì)之前，可在接近加熱器的反應(yīng)器底部加入少量能起引火物作用的干生物質(zhì)。這種引火物能縮短時間，減少點(diǎn)燃生物質(zhì)所需要的外部能量輸入。
盡管空氣是優(yōu)選的氣體氧化劑，但可采用空氣與氧的混合物或純氧來加快點(diǎn)火或降低最高壓力。此外，步驟(ii)和(iii)可以互換。為了加快對生物質(zhì)的點(diǎn)火，可以在加熱器接通之后將空氣引入反應(yīng)器中。
實施本發(fā)明方法的優(yōu)選裝置包括起反應(yīng)器作用的直立圓柱式壓力容器、在其頂部的可密封裝料口、反應(yīng)器內(nèi)點(diǎn)燃生物質(zhì)的加熱元件、調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)壓力的調(diào)壓器和高壓空氣源。為使用這種反應(yīng)器，對內(nèi)有容納加熱元件空腔的金屬筒裝填生物質(zhì)，并將其置于該反應(yīng)器中。在增壓、點(diǎn)火、按需要輸送補(bǔ)充空氣進(jìn)行貧空氣燃燒、熱解及釋壓之后，由反應(yīng)器中提出熾熱生物碳的金屬筒，并插入另一生物質(zhì)的金屬筒至該反應(yīng)器中。
一般切換周期不足30分鐘，炭收率取決于其固定含碳量，在約30-60重量％范圍。按照本發(fā)明制成的生物碳，一般揮發(fā)物含量不到約30重量％，熱值約13,000 BTU/lb(英國熱量單位/磅)。
可將離開反應(yīng)器的高壓高溫?zé)霟嵛矚廨斔椭琳羝啓C(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)獍l(fā)動機(jī)中，以產(chǎn)生動力。因為反應(yīng)器按循環(huán)模式操作，氣體生產(chǎn)是不穩(wěn)定的。因此，最好可將氣體輸送至隔熱高壓儲罐中，使其存儲于其中并以穩(wěn)定溫度和壓力輸送至渦輪或燃?xì)獍l(fā)動機(jī)?；蛘?，可以順序操作兩個或更多個反應(yīng)器，以這種方式使其合并氣體的產(chǎn)出穩(wěn)定，并適合輸送至渦輪或燃?xì)獍l(fā)動機(jī)中。如果熾熱增壓后的氣體是易燃的，可在燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)獍l(fā)動機(jī)中使之燃燒，產(chǎn)生附加功率，超過僅由熾熱增壓氣體膨脹所提供的功率?；蛘?，氣體可以在燃燒器或火舌或催化的后燃室中燃燒。
此后，將結(jié)合附圖所示裝置，對本發(fā)明方法進(jìn)行描述。但是，也可以利用可以維持工藝參數(shù)并可以取出處理后的炭而不暴露于空氣或氧中的其它裝置。
通過裝料口蓋板15，可將任何適宜型的濕或干生物質(zhì)，諸如木料原木或鋸屑或稻殼或玉米穗軸，裝到金屬筒14中。金屬筒內(nèi)的空腔14A優(yōu)選由金屬篩網(wǎng)或打孔金屬板制成，以使生物質(zhì)或引火物被直接加熱，從而促使其點(diǎn)燃。在對金屬筒14裝填生物質(zhì)13后，經(jīng)鉸鏈(hinged)密封(12)將其裝入反應(yīng)器10內(nèi)并加以密封。襯在壓力容器內(nèi)壁的絕緣材料11減少了在燃燒和熱解過程中來自金屬筒14的熱損失。一般，該反應(yīng)器10首先被增壓?？諝鈮嚎s機(jī)(未示出)將空氣經(jīng)管線1通過閥18輸送至反應(yīng)器中，以升高反應(yīng)器內(nèi)部壓力，達(dá)到所需水平?？梢允褂每諝饣蚋谎蹩諝狻Ｈ缓?，將電力經(jīng)線路16A送至棒條加熱器16，加熱生物質(zhì)材料的填充床，并在增壓空氣環(huán)境中使之點(diǎn)火和燃燒?？梢栽诳拷訜崞鞯慕饘偻?4底部使用引火物以有助于點(diǎn)燃。在加熱過程中，可對反應(yīng)器10輸送空氣，以加快點(diǎn)火。或者，可先加熱生物質(zhì)到足以點(diǎn)燃的溫度，然后加入空氣，使達(dá)到所需內(nèi)部壓力。利用調(diào)壓器17從反應(yīng)器10底部釋放氣體，從而控制反應(yīng)器10內(nèi)的壓力。反應(yīng)器內(nèi)溫度可通過熱電偶19加以監(jiān)測。同樣，反應(yīng)器內(nèi)的壓力可通過壓力計20加以監(jiān)測。在點(diǎn)燃前的加熱期間，由于與生物質(zhì)相關(guān)的水分汽化，壓力會上升。當(dāng)生物質(zhì)點(diǎn)燃時，反應(yīng)器內(nèi)壓力和溫度都會上升得更快。此時，一般是在加熱器接通后僅2-4分鐘時，就可關(guān)掉加熱器，以使對反應(yīng)器外供能量減至最小。要將調(diào)壓器17設(shè)定在當(dāng)壓力達(dá)到指定極限值時就釋放反應(yīng)器的氣體，指定壓力極限值一般不大于400磅/平方英寸表壓。最佳壓力取決于進(jìn)料，但通常在100-200磅/平方英寸表壓范圍。如果需要，可通過空氣壓縮機(jī)經(jīng)閥18和豎管29將補(bǔ)充空氣輸送至該金屬筒頂部，并從反應(yīng)器底部經(jīng)閥17排放氣體，使整個料床達(dá)到400℃或以上的溫度。從反應(yīng)器頂部至底部的這種氣體流動使操作為下向式，即空氣向下流動穿過床層，而火焰前鋒向上移動。當(dāng)該床層頂部溫度達(dá)到所需水平時(該溫度取決于生物質(zhì)進(jìn)料，但一般在400℃以上)，一般就要通過截止閥18停止對反應(yīng)器輸送空氣。但是，對于某些類型的生物質(zhì)，可能必需持續(xù)在低壓下加入空氣，以維持燃燒。在大多數(shù)情況下，按每千克干生物質(zhì)計，輸送至該容器的總空氣量將不足2千克。輸送空氣所需時間取決于空氣流率和進(jìn)料，但一般在10-30分鐘范圍。經(jīng)調(diào)節(jié)器17和管線21釋放反應(yīng)器內(nèi)的氣體，以降低反應(yīng)器內(nèi)壓力。可降低壓力至0磅/平方英寸表壓，或降至某一中間預(yù)定水平。如果這種氣體是易燃的，如所示它可能在火舌中燃燒或可能在外部燃燒器中(未示出)燃燒，或在催化的后燃室(未示出)燃燒，以產(chǎn)生熱量?；蛘?，可以在高壓下把經(jīng)調(diào)節(jié)器17從反應(yīng)器釋放出的熾熱增壓氣體輸送至標(biāo)準(zhǔn)蒸汽輪機(jī)(未示出)或燃?xì)獍l(fā)動機(jī)(未示出)中，使氣體經(jīng)膨脹至常壓而產(chǎn)生動力。如果該高溫氣體是易燃的，它可能在燃?xì)廨啓C(jī)(未示出)或在燃?xì)獍l(fā)動機(jī)(未示出)中燃燒，產(chǎn)生附加功率。
在這些條件下，反應(yīng)器內(nèi)材料的準(zhǔn)確停留時間將取決于所用材料的具體類型和含水量，但是，一般停留時間將不足30分鐘。對于具體生物質(zhì)進(jìn)料的最佳條件，本領(lǐng)域任何普通技術(shù)人員均可對具體生物質(zhì)材料樣品進(jìn)行試驗而易于確定。
本發(fā)明的特征是，為使效率最大化，在各次裝料之間不必冷卻反應(yīng)器。在打開鉸鏈密封12之前，通過閥17排放氣體，以降低反應(yīng)器內(nèi)壓力至常壓。金屬筒14是緊密的；因此使進(jìn)入金屬筒14的空氣減到最少，所以從反應(yīng)器提起金屬筒時金屬筒內(nèi)的生物碳不燃燒。少量空氣可經(jīng)空腔14A進(jìn)入該金屬筒，但如果把金屬筒置于水面或水池里，該金屬筒底部外緣可有效地起到一種密封的作用。冷卻后，從金屬筒14卸出生物碳。從反應(yīng)器10取出金屬筒后，立即將生物質(zhì)材料的另一金屬筒下放入該反應(yīng)器中。然后可密封、增壓和再加熱該反應(yīng)器，而不必使反應(yīng)器10進(jìn)行任何明顯的冷卻，從而使全過程更為有效。
參照附圖，反應(yīng)器10的其它特征包括，頂部密封墊圈22、下密封墊圈23、內(nèi)密封墊圈24和底部盲板25。鉸鏈密封12是經(jīng)一種常規(guī)鎖定機(jī)構(gòu)26而被緊固的。為了提起和下放金屬筒14進(jìn)入反應(yīng)器10，該金屬筒14裝有一個鏈條柄28。安全閥30采用一種萬一超壓時釋放氣體的爆破隔膜。
以下實施例是提供來說明本發(fā)明的，而非以任何方式試圖限制本發(fā)明。
實施例1對如圖所示的反應(yīng)器裝填去皮銀合歡木料(1.437千克風(fēng)干木料(14.3重量％，按干基計)并用空氣對其增壓至400磅/平方英寸表壓。接通內(nèi)加熱器。點(diǎn)火之前，從反應(yīng)器底部排放部分氣體，以控制其壓力在400磅/平方英寸表壓。加熱4分鐘后木料點(diǎn)燃，斷開加熱器電源，從反應(yīng)器底部排放氣體，以緩慢降低反應(yīng)器內(nèi)氣體壓力至150磅/平方英寸表壓。然后，將穩(wěn)定空氣流輸送至該反應(yīng)器頂部，并從該反應(yīng)器底部排放氣體，以保持反應(yīng)器壓力約150磅/平方英寸表壓。點(diǎn)燃后34分鐘，木料填充床頂部溫度達(dá)到600℃，關(guān)閉空氣流。從反應(yīng)器底部排放氣體，以降低該反應(yīng)器壓力至0磅/平方英寸表壓。點(diǎn)燃木料需要約0.2千瓦時的功率，并在初期增壓后，對該反應(yīng)器輸送總共0.94千克的空氣。隨后取出反應(yīng)器物料并加以檢驗。所有銀合歡木料均被轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)炭，其揮發(fā)物含量在2.7-27.8重量％之間，灰分在2.9-4.1重量％之間。炭收率為36.8重量％(干基)，固定碳收率為29.7重量％。按該銀合歡木料進(jìn)料的C、H、O組成計，其固定碳理論收率為34.4重量％。因此，該條件能轉(zhuǎn)化銀合歡木料為碳，其效率為理論極限的86％。
實施例2此實施例類似于實施例1，但不同的是，點(diǎn)火在更低壓力下進(jìn)行。對反應(yīng)器裝填1.393千克的風(fēng)干去皮銀合歡木料(13.1重量％，按干基計)，用空氣對其增壓至150磅/平方英寸表壓。接通內(nèi)加熱器。點(diǎn)火之前，從反應(yīng)器底部排放部分氣體，控制其壓力在150磅/平方英寸表壓。加熱6分鐘后該木料點(diǎn)燃，切斷加熱器電源。然后，將穩(wěn)定的空氣流輸送至反應(yīng)器頂部，并從反應(yīng)器底部排放氣體，以保持反應(yīng)器壓力約150磅/平方英寸表壓。點(diǎn)火后28分鐘，該木料填充床頂部溫度達(dá)到560℃，關(guān)閉空氣流。從反應(yīng)器底部排放氣體，降低該反應(yīng)器壓力至0磅/平方英寸表壓。點(diǎn)燃該木料需要約0.2千瓦時的功率，并在初期增壓后，對該反應(yīng)器輸送總共0.93千克的空氣。隨后取出該反應(yīng)器物料并加以檢驗。所有銀合歡木料均被轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)炭，其揮發(fā)物含量在9.6-36.7重量％之間，灰分在2.3-3.7重量％之間。炭收率為40.0重量％(干基)，固定碳收率為29.7重量％。同實施例1一樣，此試驗條件能轉(zhuǎn)化銀合歡木料為碳，其效率為理論極限的86％。這些結(jié)果說明了這種方法的重復(fù)性，表明較高點(diǎn)火壓力對此方法性能的影響少。
實施例3來自制造地板的橡樹廢木是從炭工業(yè)廠商獲得的。該反應(yīng)器裝填1.285千克的風(fēng)干橡樹木料(8.6重量％按干基計)，用空氣使其增壓至200磅/平方英寸表壓。接通內(nèi)加熱器。點(diǎn)火之前，從反應(yīng)器底部排放部分氣體，控制其壓力在200磅/平方英寸表壓。加熱5分鐘后該木料點(diǎn)燃，斷開加熱器電源，從反應(yīng)器底部排放氣體，緩慢降低反應(yīng)器內(nèi)氣體壓力至150磅/平方英寸表壓。然后，將穩(wěn)定空氣流輸送至該反應(yīng)器頂部，并從該反應(yīng)器底部排放氣體，以保持反應(yīng)器壓力約150磅/平方英寸表壓。點(diǎn)火后25分鐘，該填充床頂部溫度達(dá)到460℃，關(guān)閉空氣流。從反應(yīng)器底部排放氣體，降低該反應(yīng)器壓力至0磅/平方英寸表壓。點(diǎn)燃該木料需要約0.2千瓦時的功率，并在初期增壓后，對該反應(yīng)器輸送總共0.69千克的空氣。隨后，取出該反應(yīng)器物料并加以檢驗。所有橡樹木料均被轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)炭，其揮發(fā)物含量在15.3-24.6重量％之間，灰分在0.4-0.8重量％之間。其炭收率為35.1重量％(干基)，固定碳收率為28.0重量％。按該橡樹木料進(jìn)料C、H、O組成計，固定碳的理論收率為29.6重量％。4因此，其條件能轉(zhuǎn)化橡樹木料為碳，其效率為理論極限的95％。
實施例4對該反應(yīng)器裝填0.496千克的風(fēng)干玉米穗軸(11.9重量％按干基計)，用空氣增壓至150磅/平方英寸表壓。接通內(nèi)加熱器。升溫期間從反應(yīng)器頂部排放部分氣體，控制其壓力在150磅/平方英寸表壓。加熱2分鐘后，玉米穗軸燃料點(diǎn)燃。此后立刻在150磅/平方英寸表壓壓力下輸送穩(wěn)定空氣流至該反應(yīng)器頂部，從反應(yīng)器底部排放氣體，保持反應(yīng)器壓力至約150磅/平方英寸表壓。點(diǎn)燃后18分鐘，切斷空氣流，從反應(yīng)器底部排放氣體，降低反應(yīng)器壓力至0磅/平方英寸表壓。初期增壓后，對該反應(yīng)器輸送總共0.51千克的空氣。隨后，取出該反應(yīng)器物料并加以檢驗。所有玉米穗軸均被轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)炭，其揮發(fā)物含量在11.0-17.5重量％之間，灰分在2.4-3.0重量％之間。其炭收率為33.1重量％(干基)，固定碳收率為28.0重量％。按該玉米穗軸進(jìn)料的C、H、O組成計，固定碳的理論收率為28重量％。見參考文獻(xiàn)4。因此，該條件能轉(zhuǎn)化玉米穗軸為碳，效率為理論極限的100％。
對照實施例5按實施例2，由1.231千克銀合歡木料(干重)生產(chǎn)0.492千克的炭，輸入0.2千瓦時功率，點(diǎn)燃該木料。在此實例中，生產(chǎn)每千克炭功率消耗約0.4千瓦時。在US 5,435,983的表3中，由風(fēng)干銀合歡木料產(chǎn)生每千克炭所消耗的功率為3.5-3.7千瓦時。這個比較表明，本發(fā)明幾乎降低了功率消耗10倍。如采用更大反應(yīng)器，利用本發(fā)明甚至可使功率消耗降低得更多，因為在更大反應(yīng)器中0.2千瓦時的功率足以點(diǎn)燃數(shù)量多更多的生物質(zhì)，而使炭生產(chǎn)量高得多。加熱時間的比較表明，在實施例2中，加熱時間從(US 5,435,983表3中的)約110分鐘降低至34分鐘。注意，在表3中試驗A和B的炭收率幾乎與實施例2中實現(xiàn)的相同。
對照實施例6在實施例4中，由玉米穗軸得到的炭和固定碳收率(分別)為33.1和28.0重量％。在如實施例2中所用的相同實驗反應(yīng)器中，當(dāng)采用US5,435,983的方法用濕玉米穗軸時，炭和固定碳收率(分別)為31.2和21.6重量％。見參考文獻(xiàn)4。因此，本發(fā)明使由玉米穗軸所得的固定碳收率增加了30％。
這些對照實施例表明，本發(fā)明相對于我們早期工作顯著降低了碳化生物質(zhì)所需要的功率消耗和時間，在提高固定碳收率方面增加了收益。
可以按其它具體方式具體實施本發(fā)明，而不會偏離其精神或基本特征。因此，本發(fā)明的這些實施方案在各個方面都應(yīng)看成是對本發(fā)明范圍的說明而非限制。本發(fā)明通過附后權(quán)利要求已被說明，因此包括在這些權(quán)利要求的含義、范圍和等同內(nèi)容范圍內(nèi)的所有改進(jìn)都應(yīng)被包含其中。
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權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)化生物質(zhì)材料為炭或碳化炭的方法，包括如下步驟(a)密封所述材料在封閉容器中，使所述容器內(nèi)的非惰性物料由所述材料和空氣構(gòu)成；(b)用空氣增壓所述容器；(c)加熱所述材料，使之點(diǎn)燃和燃燒；(d)通過由該容器釋放氣體，控制所述容器內(nèi)的壓力為P1，使之不超過極限壓力P極限；(e)任選地輸送補(bǔ)充空氣進(jìn)入所述容器，使整個所述材料達(dá)到在約400℃以上的某一溫度，同時控制所述壓力為P1；(f)釋放所述容器中的氣體，以降低所述壓力至P2。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述步驟(b)和(c)以相反順序進(jìn)行。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其中步驟(e)中將所述空氣輸送至所述容器頂部，并通過由該容器底部釋放氣體，控制所述壓力為低于P極限的壓力P1。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其中在步驟(f)之后繼續(xù)在所述壓力P2下將補(bǔ)充空氣輸送至所述容器的頂部，以維持燃燒一段時間。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其中步驟(f)中的通過控制釋放所述氣體至較低壓力水平而降低壓力被重復(fù)兩次或多次，以接連降低壓力使生物質(zhì)材料完全碳化。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其中從所述容器底部釋放所述氣體。
7.按照權(quán)利要求1的方法1，其中將引火物封閉在所述容器內(nèi)，以利于點(diǎn)燃所述生物質(zhì)材料。
8.按照權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(c)中，在所述生物質(zhì)材料點(diǎn)燃后停止加熱。
9.按照權(quán)利要求1的方法，其中在外部回收并通過外燃燒器燃燒所述容器釋放的所述氣體。
10.按照權(quán)利要求1的方法，其中在高溫和高壓下輸送所述容器釋放的所述氣體至催化的后燃室中。
11.按照權(quán)利要求1的方法，其中在高溫和高壓下將所述釋放的氣體輸送至蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)獍l(fā)動機(jī)中，以產(chǎn)生動力。
12.按照權(quán)利要求1-11任一項的方法，還包括如下步驟(g)通過釋放所述容器的氣體降低所述壓力至常壓，和(h)取出熾熱炭或碳化炭而不使其暴露于充足空氣或氧氣中引起燃燒。
13.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述生物質(zhì)材料是濕的。
14.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述生物質(zhì)材料是干燥的。
15.按照權(quán)利要求1的方法，其中P極限為400磅/平方英寸表壓。
16.按照權(quán)利要求1的方法，其中按每千克所裝干燥生物質(zhì)計，輸入所述容器中的附加空氣量不足2千克。
17.按照權(quán)利要求1的方法，其中通過由所述容器頂部順序釋放氣體及接著由所述容器底部釋放氣體，使所述壓力控制在P極限以下。
18.一種用于熱解轉(zhuǎn)換生物質(zhì)材料為炭及氣體的反應(yīng)器，包括外殼，其帶有一密封的裝料口，用于接收其內(nèi)裝有所述材料的可取出的金屬筒；加熱器；在所述外殼頂上的裝有閥的第一氣體出口管；在所述外殼底部的裝有閥的第二氣體出口管；裝有閥的空氣入口管，用于引入空氣至所述金屬筒的頂部；絕緣材料，環(huán)繞所述金屬筒至少部分側(cè)面；所述金屬筒可容納在所述外殼中，以與所述外殼形成緊密封，當(dāng)所述可密封裝料口打開時，使所述金屬筒內(nèi)物料暴露于環(huán)境減到最少。
19.按照權(quán)利要求18的反應(yīng)器，其中所述加熱器包括電阻加熱器，其被定位用于加熱在所述金屬筒底部的生物質(zhì)材料。
20.按照權(quán)利要求18的反應(yīng)器，還包括一個外燃燒器，其與所述裝有閥的第二氣體出口管連通。
21.按照權(quán)利要求18的反應(yīng)器，其中所述裝有閥的入口管口包括一只穿越所述外殼底部并在所述金屬筒頂部有一開口端的管。
全文摘要
提供了一種用于熱解轉(zhuǎn)換生物質(zhì)為炭或碳化炭的外供能量少的方法。將生物質(zhì)封閉一個容器(14)中，用空氣(1)增壓，并通過棒條加熱器(16)對其加熱至點(diǎn)燃。通過輸入空氣控制壓力，并釋放氣體，連續(xù)保持較低壓力水平，使其一般轉(zhuǎn)化時間不到30分鐘。
文檔編號B09B3/00GK1520450SQ02812756
公開日2004年8月11日 申請日期2002年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月28日
發(fā)明者M·J·小安塔爾, M J 小安塔爾 申請人:太平洋碳和石墨有限責(zé)任公司